CN116888876A - 用于电气设备的电子单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电气设备、特别是用于电机运行的电气设备的电子单元(10),所述电子单元具有特别是单侧安装的印刷电路板(40),所述印刷电路板具有用于操控所述电气设备的多相负载(12)、特别是多相电动机(14)的多个功率晶体管(16),其中所述负载(12)的每一相(U,V,W)都分配有至少一个功率晶体管(16)。提出:具有最高漏感的第一相(W)的功率晶体管(16)中的至少一个与第一电气衰减元件(30、32)并联连接,所述第一电气衰减元件用于衰减由所述功率晶体管(16)的开关过程引起的瞬变,并且对于至少一个其余相(U、V),特别是对于具有最低漏感的相(U),不设置这样作用的电气衰减元件(30、32)。本发明还涉及一种电气设备,特别是电机驱动的电气设备,具有根据本发明的电子单元(10),用于操控多相负载(12),特别是多相电动机(14)。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求1的类型的用于电气设备的电子单元。本发明还涉及一种具有根据本发明的电子单元的电气设备。
背景技术
从US 2018/0269793 A1已知一种构造为逆变器的电子单元,用于借助于用于电气负载的每个相的多个功率晶体管来开关该负载。所述电子单元的每一相都具有高侧晶体管开关和低侧晶体管开关,以通过脉宽调制的信号(PWM)来操控所述负载。然而,通过功率晶体管的开关过程通常导致电压峰值或瞬变,所述电压峰值或瞬变可能导致对其他电气组件的电磁干扰并且可能导致其毁坏。功率晶体管本身也可能受到影响。为了避免这种情况,为每一相设置由至少一个电容器和二极管组成的衰减元件(所谓的缓冲器Snubber),以衰减电压峰值或瞬变。
通常,这种用于开关电气负载的电子单元被设计为印刷电路板,其上安装有器件并且这些器件经由导体轨道连接。于是,瞬变的幅度尤其是取决于负载电流随时间的变化(dI/dt),而所述变化又是印刷电路板漏感和带宽以及所使用器件的特征性属性的形式的特定于印刷电路板的参数。
除了使用缓冲器之外,现有技术中已知的其他措施也可有助于降低开关电压峰值或提高对应电子单元的电磁兼容性。从而例如可以使用具有高过压强度和/或更短开关时间的功率晶体管。然而,前者导致更高的成本,因为对应的功率晶体管明显更昂贵,而后者导致更高的开关损耗,并且还禁止用于对功率晶体管的尽可能短的接通和关断时间有特殊要求的特定应用。相反,对电子单元的每一相应用缓冲器具有以下缺点:一方面在印刷电路板上需要更多的安装空间,并且另一方面缓冲器中产生热损耗。
如果电子单元的印刷电路板只能单侧安装,则不能在印刷电路板的另一侧设置缓冲器,这又导致必须增加电子单元的尺寸,因为缓冲器必须定位成尽可能靠近待保护的半导体开关或功率晶体管,以实现最佳可能的干扰抑制。于是每个附加缓冲器还可能增加相应相的漏感。
发明内容
本发明的任务是,基于已知的现有技术提供一种用于电气设备的电子单元,所述电子单元保证在最小安装空间的情况下充分抑制用于多相电气负载的功率晶体管的瞬变,特别是在单侧安装的印刷电路板的最小安装空间的情况下。
发明内容
本发明涉及一种用于电气设备、特别是用于电机运行的电气设备的电子单元,所述电子单元具有特别是单侧安装的印刷电路板,所述印刷电路板具有用于操控电气设备的多相负载、特别是多相电动机的多个功率晶体管,其中所述负载的每一相都分配有至少一个功率晶体管。根据本发明规定,具有最高漏感的第一相的功率晶体管中的至少一个与第一电气衰减元件并联连接,所述第一电气衰减元件用于衰减由所述功率晶体管的开关过程引起的瞬变,并且对于至少一个其余相,特别是对于具有最低漏感的相,不设置这样作用的电气衰减元件。有利地,通过在电子单元的最小可能安装空间的情况下仅对特定功率晶体管有针对性地应用缓冲器,可以有效地减少或避免关键器件中的瞬变。此外,本发明由此能够实现操控电气负载的功率晶体管的快速且高度可靠的开关。本发明可以特别有利地应用于所谓的IMS印刷电路板(Insulated Metal Substrate,绝缘金属衬底),因为IMS印刷电路板的单侧安装(单层)。另外,通过这种方式所有相的总漏感并没有增加。然而,通过考虑相应应用的漏感和负载电流变化dI/dt来设计衰减元件网络,本发明也可以应用于具有多层印刷电路板的电子单元。
本发明上下文中的电气设备应当理解为具有多相负载、特别是具有多相电动机的所有可通过电网电流或储能器(例如,电池、可更换的蓄电池组或永久集成的蓄电池)供电的电运行设备,其中根据本发明的电子单元可以用于衰减由其功率晶体管的开关过程引起的干扰。在此,作为电动机驱动器特别是考虑电换向电机(所谓的EC或BLDC电机),它们的各个相经由电子单元的功率晶体管通过脉宽调制加以操控,以控制或调节它们的转速和/或它们的扭矩。从而例如本发明可应用于借助于电动机驱动的嵌入式工具来加工工件的电动工具,如手钻或立钻、螺丝刀、冲击钻、锤钻、平面机、角磨机、轨道式砂磨机、抛光机、圆锯、桌锯、截角锯和手锯等。然而,还可以想到将本发明应用于诸如真空吸尘器、搅拌机、食品加工机、炉灶等家用电器、诸如割草机、破碎机、修枝锯等园艺设备、诸如水泥搅拌机的建筑机械或电动机驱动的车辆和飞机等。
术语“印刷电路板”可以包括具有印刷或蚀刻的导体轨道(特别是铜导体轨道)的既固体又柔性的电路板,其中所述电路板被设计为使得其承载电阻器、电容器、线圈、二极管、晶体管、集成电路等形式的一个或多个无源或有源的电子器件。本发明特别有利地应用于所谓的IMS印刷电路板(绝缘金属衬底),因为IMS印刷电路板的单侧安装(单层)。这里将不详细讨论这种印刷电路板的设计可能性,因为它们对于本领域技术人员来说是公知的。
电子单元的功率晶体管优选被构造为MOSFET。然而,也可以考虑其他场效应晶体管、双极晶体管、IGBT等形式的功率晶体管。
在本发明的一种扩展中规定,所述负载的每一相都分配有与第一参考电势、特别是电源电势连接的高侧功率晶体管以及与第二参考电势、特别是电气接地连接的低侧功率晶体管。因此在三相电动机的情况下,电子单元被构造为B6功率桥。然后,第一电气衰减元件与第一相的低侧功率晶体管或高侧功率晶体管并联连接。然而,其他电路拓扑结构也是可以想到的,例如H桥或每一相仅单个功率晶体管。
补充地,至少一个第二电气衰减元件与第二相的低侧功率晶体管或高侧功率晶体管并联连接。在此,第二相优选地具有第二高的漏感。因此,用于开关具有最高漏感的第一相的器件(特别是功率晶体管)和用于开关具有第二高漏感的第二相的器件(特别是功率晶体管)受到了保护。在三相负载的情况下,这具有特别的优点,一方面对第三相的漏感没有影响,而另一方面在电子单元的印刷电路板上只需要少量更多的空间。
通过电气衰减元件与第一相和第二相的功率晶体管的并联连接也分别增加了第一相和第二相的漏感和内阻。因此,在本发明的替代设计中规定,至少一个第二电气衰减元件连接在第一相和第二相之间。相应地,与一相的功率晶体管并联连接的电气衰减元件在下文中也应称为竖直缓冲器,而在两相的两个功率晶体管之间连接的电气衰减元件应称为水平缓冲器。从而除了具有最高漏感的相之外,还可以特别有利地保护具有最高电气负荷和热负荷的相在对应功率晶体管的开关过程期间免遭瞬变。此外,通过水平缓冲器不增加相的漏感,并且与具有多个水平缓冲器的解决方案相比,通过与竖直缓冲器组合可以进一步减小电子单元的安装空间。
在本发明的另一种设计中规定,构造为水平缓冲器的至少一个第二电气衰减元件连接到两相之间,使得所述至少一个第二电气衰减元件分别与两相的低侧功率晶体管和高侧功率晶体管之间的节点连接。
为了避免各个相之间的错误引导的高电流,至少被构造为水平缓冲器的第二电气衰减元件被构建为分别具有至少一个电阻器、二极管和电容器的RDC元件。
特别是与三相负载相关地规定,为第二相附加地设置被构造为水平缓冲器的至少一个第三衰减元件,所述至少一个第三衰减元件相对于第三相进行作用。因此,通过水平缓冲器的二极管的对应极性,可以根据PWM时钟在经由第一相和第三相的两个电流流动方向上衰减第二相的瞬变。
本发明还涉及一种电气设备,特别是电机驱动的电气设备,其具有根据本发明的用于操控多相负载、特别是多相电动机的电子单元。在此,所述多相负载可以特别是被构造为三相EC电机,其中在这种情况下所述电子单元具有用于操控所述EC电机的B6功率桥。不过如已经提及的,根据多相负载的设计,也可以考虑其他电路拓扑,例如H桥或每一相单个功率晶体管。
附图说明
下面基于图1至图7以示例的方式解释本发明,其中图中相同的附图标记表示具有相同作用方式的相同部件。
图1示出了第一实施方式中的用于操控三相电动机的本发明电子单元的电路图,
图2示出了根据图1的具有印刷电路板的本发明电子单元的示意图,
图3示出了第二实施方式中的用于操控三相电动机的本发明电子单元的电路图,
图4示出了根据图3的具有印刷电路板的本发明电子单元的示意图,
图5示出了第三实施方式中的用于操控三相电动机的本发明电子单元的电路图,
图6示出了根据图5的具有印刷电路板的本发明电子单元的示意图,
图7示出了在第一相的低侧功率晶体管接通的情况下(图7a)和在第一相的低侧功率晶体管关断的情况下(图7b)根据图5和图6的第三实施例的开关行为和相关联瞬变的图表,以及
图8示出了第四实施方式中的用于操控三相电动机的本发明电子单元的电路图。
具体实施方式
图1中示出了用于未详细示出的电气设备的根据本发明的电子单元10的第一实施例的电路图。如开头已经提到的,本发明上下文中的电气设备可以理解为具有多相负载12、特别是具有多相电动机14的任何可通过电网电流或储能器(例如,电池、可更换的蓄电池组或永久集成的蓄电池)供电的电运行设备,其中电子单元10可以用于衰减由其功率晶体管16的开关过程引起的干扰。从而例如电子单元10可应用于借助于电动机驱动的嵌入式工具来加工工件的电动工具,如手钻或立钻、螺丝刀、冲击钻、锤钻、平面机、角磨机、轨道式砂磨机、抛光机、圆锯、桌锯、截角锯和手锯等。然而,还可以想到将电子单元10应用于诸如真空吸尘器、搅拌机、食品加工机、炉灶等家用电器、诸如割草机、破碎机、修枝锯等园艺设备、诸如水泥搅拌机的建筑机械或电动机驱动的车辆和飞机等。
电子单元10的功率晶体管16用于借助于脉宽调制的信号(PWM)来操控电动机14的各个相U、V、W。在此,用18表示电动机14的与相U、V、W相关联的绕组。相U、V、W的绕组18还可以分布在构造为EC电机的电动机14的定子的多个未示出的定子齿上,其中相U、V、W的每个定子齿都形成定子极。电子单元10的功率晶体管16限定了所谓的功率桥20,向该功率桥供应第一参考电势V1,特别是电源电势V+,以及第二参考电势V2,特别是接地电势GND。借助于连接在第一参考电势V1和第二参考电势V2之间的至少一个滤波电容器22,可以滤除落在电子单元10上的高频干扰。分流电阻器24用于测量在电动机14的绕组18中转换的负载电流I。
电动机14的以星形电路连接的绕组18借助于被构造为B6功率桥的功率桥20连接,该功率桥20对于每个相U、V、W都具有高侧功率晶体管26和低侧功率晶体管28。优选地构造为MOSFET的功率晶体管16可以分别经由未详细示出的控制触点、特别是栅极连接端来加以操控,以通过同样未详细示出的控制或调节电子器件产生PWM信号。
借助于B6功率桥20对电动机14的定子极的绕组18的PWM操控以已知的方式进行,使得每一相U、V、W的高侧功率晶体管26和低侧功率晶体管28都彼此交替地接通和关断,并且功率晶体管16在不同的相之间以120°大小的相位偏移地接通和关断,使得绕组18的通电导致电动机14的转子对应地旋转运动。然而,由于借助于B6功率桥20对电动机的PWM操控对于本领域技术人员来说是足够公知的,因此对此将不再进一步讨论。更确切地说,对于本发明来说重要的是由于功率晶体管16的开关过程通常导致电压峰值或瞬变,所述电压峰值或瞬变可能导致对其他电气组件的电磁干扰并可能导致其毁坏。除了B6功率桥20之外,还可以根据待操控的多相负载12来考虑其他电路拓扑,如H桥或每一相单个功率晶体管。
根据本发明规定,具有最高漏感的第一相W的功率晶体管16中的至少一个与电气衰减元件或所谓的缓冲器30并联连接,用于衰减由这些功率晶体管16的开关过程引起的瞬变,并且其余相U、V中的至少一相,特别是具有最低漏感的相,不具有这种电气衰减元件30。衰减元件30与功率晶体管16中的至少一个的并联连接在下文中也应称为竖直缓冲器32。在所示的实施例中,竖直缓冲器32与第一相W的低侧功率晶体管28并联连接,并且基本上由至少一个电阻器34、与该电阻器并联连接的二极管36以及与由电阻器34和二极管36形成的并联电路串联连接的电容器38组成。竖直缓冲器32因此被构建为RDC元件。通过仅针对具有最高漏感的W相的一个功率晶体管16有针对性地应用竖直缓冲器32,可以在电子单元10的最小可能安装空间的情况下非常有效地衰减关键器件中的瞬变。代替构造为RDC元件,这种竖直缓冲器32也可以被构造为RC元件,即具有由电阻器34和电容器38组成的串联电路,以进一步减少所需的安装空间。电阻器34和电容器38的参数选择在此必须适配于相关联的功率晶体管16的开关时间,使得当功率晶体管16闭合时电容器38能够充分放电。
本发明可以特别有利地应用于所谓的IMS印刷电路板(绝缘金属衬底),因为IMS印刷电路板的单面安装(单层)。图2中示出了根据图1的电子单元10的这种印刷电路板40。除了仅示例性列出的电容器、电阻器、保险丝等形式的其他电子元件之外,在该印刷电路板上还布置或焊接了采用SMD技术(Surface Mounted Device,表面贴装器件)的高侧功率晶体管26和低侧功率晶体管28,以操控这里未示出的三相负载14的各个相U、V、W。此外,在印刷电路板40上设置有各种插接和螺钉连接件42,用于电子单元10的能量供应、功率晶体管16的控制信号以及用于接触电动机14的绕组18。
对应图1,印刷电路板40具有与具有最高漏感的相W的低侧功率晶体管28并联连接的竖直缓冲器32,不过,所述竖直缓冲器在这里被构造为具有电阻器34和电容器38的简单RC元件。因此可以在尽可能有效地衰减开关瞬变的同时实现电子单元10的非常小的安装空间,而不增加所有相U、V、W的总漏感。
图3示出了根据本发明的电子单元10的第二实施例的电路图,该电子单元与根据图1和图2的第一实施例的不同之处仅在于现在除了具有最高漏感的第一相W之外还向另一相W,特别是具有第二高漏感的相分配竖直缓冲器32。该竖直缓冲器32与第一相W的竖直缓冲器32类似也被构造为RDC元件,具有电阻器34、与电阻器34并联连接的二极管36以及与由电阻器34和二极管36形成的并联电路串联的电容器38。图3的其余组件在此应不再进一步讨论,因为它们的作用方式对应于第一实施例的作用方式。另外要注意的是,这里的竖直缓冲器32也可以构造为RC元件。
因此,电子单元10的用于开关具有最高漏感的第一相W的器件、特别是功率晶体管16以及用于开关具有第二高漏感的第二相V的器件、特别是功率晶体管16受到保护。在三相负载14的情况下,这具有特别的优点,一方面对第三相U的漏感没有影响,而另一方面在电子单元10的印刷电路板40上只需要少量更多的空间,如图4所示。
通过水平缓冲器32与第一相W和第二相V的功率晶体管16的并联连接,还分别增加了第一相和第二相的漏感和内阻。因此,在根据图5和图6的本发明的第三实施例中规定,除了第一相W的竖直缓冲器32之外,还在第一相W和第二相V之间连接有至少一个第二电气衰减元件30作为水平缓冲器44,使得该至少一个第二电气衰减元件30分别与第一相W和第二相V的低侧功率晶体管28和高侧功率晶体管26之间的节点46连接。与前面的两个实施例不同,电动机14的定子极的绕组18以三角电路连接。然而,这对电子单元10和电气衰减元件30的作用方式仅具有无关紧要的影响。特别有利的是,通过附加的水平缓冲器44不仅可以保护具有最高漏感的相W,而且可以保护具有最高电气负荷和热负荷的相V免遭由对应功率晶体管16的开关过程引起的瞬变。此外,通过水平缓冲器44不增加相U、V、W的漏感,并且与具有多个水平缓冲器的解决方案相比,通过与竖直缓冲器32的组合可以进一步减小电子单元10的安装空间。为了避免两相V和W之间错误引导的高电流,水平缓冲器44必须被构建为分别具有至少一个电阻器34、二极管36和电容器38的RDC元件。
图7中示出了根据图5和图6的第三实施例的开关行为和相关联瞬变的两个图表。在此,图7a示出了在第一相W的低侧功率晶体管28接通时的行为,而图7b示出了在低侧功率晶体管28对应地关断时的行为。用46和48表示以伏特[V]为单位的两相V和W的节点46处的电压变化过程UV和Uw,而50和52表示以安培[A]为单位的竖直缓冲器32和水平缓冲器44中的电流IV和IH的时间变化过程。电流变化过程50和52是利用缓冲器30的相应电容器38两端的所谓的罗氏线圈来测量的,由此导致轻微的偏移,然而,该偏移对于本发明来说不重要。另外应当指出,所示的变化过程用于说明缓冲器30的作用方式,并且因此不对应于用于操控三相电动机的典型PWM模式。
根据图7a可以看出,当第一相W的低侧功率晶体管28处于接通或闭合的情况下第二相V的低侧功率晶体管28的接通和关断(为此参见电压变化过程46)导致相关联电压变化过程48中的瞬变或正电压峰值或负电压峰值。由于第一相W的接通的低侧功率晶体管28,这些电压峰值没有被与其并联连接的竖直缓冲器32吸收,如从相关联的电流变化过程50中可以看出的。相反,在V相和W相的节点46之间的水平缓冲器44吸收了所述电压峰值,这导致对应的有效衰减。如果根据图7b的第一相W的低侧功率晶体管28与第二相V的低侧功率晶体管28同时断开和闭合,则竖直缓冲器32和水平缓冲器44都吸收所产生的瞬变,如从电流IV和IH的相关联变化过程50和52中可以看出的。
在根据图5至图7的第三实施例中,使用构造为RDC元件的缓冲器30,在每个缓冲器中使用电阻值为10欧姆的电阻器34和电容为22nF的电容器38。如上已经进一步提到的,这些值和由此产生的时间常数尤其取决于功率晶体管16的最小接通时间,以一方面实现瞬变的尽可能有效的衰减以及另一方面实现对电容器38的足够快速的放电。
图8示出了根据本发明的电子单元10的第四实施例,该实施例与根据图5和图6的第三实施例的不同之处特别是在于第二相V和第三相U之间的另外的水平缓冲器44。在此,第二相V和第三相W的低侧功率晶体管28和高侧功率晶体管26之间的节点46分别与所述另外的水平缓冲器44连接。因此,所述另外的水平缓冲器40是第三衰减元件30,其与第一相W和第二相V之间的水平缓冲器44结合根据相关联的功率晶体管16的PWM时钟在经由具有最高漏感的第一相W和具有最低漏感的第三相U的两个电流流动方向上衰减第二相V的低侧功率晶体管28的瞬变。为此目的,第三衰减元件30或其二极管36在与第二衰减元件30或其二极管36相反的方向上极化。
因此,如果在电动机14的特定转子位置时第三相U中的低侧或高侧功率晶体管28、26永久地接通并且相V中的功率晶体管16进行时钟激励,则相V的瞬变主要通过相V和相U之间的水平缓冲器44导出。相反,如果在电动机14的不同转子位置时第一相W中的低侧或高侧功率晶体管28、26永久地接通并且相V中的功率晶体管16进行时钟激励,则相V的瞬变主要通过在相V和相W之间的水平缓冲器44导出。因此,瞬变总是优先选择阻抗最小的路径。因此,第二相V上的两个水平缓冲器44具有以下优点:通过阻抗将功率损耗分布在两个缓冲器44上,并且对应的部件可以做得更小或功率更低,同时尽可能大地衰减瞬变,这既节省了成本又节省了安装空间。另外,这里相U、V、W的漏感也不因水平缓冲器44而增加。
最后,需要指出的是,本发明既不限于图1至图7所示的实施例,又不限于电子单元10的电器件的形状和大小比例或者插接和螺钉连接件42的数量和设计。此外,通过在考虑相应应用的漏感和负载电流变化dI/dt的情况下来设计衰减元件网络,本发明也可以应用于具有多层印刷电路板的电子单元10。
Claims (12)
1.一种用于电气设备、特别是用于电机运行的电气设备的电子单元(10),所述电子单元具有特别是单侧安装的印刷电路板(40),所述印刷电路板具有用于操控所述电气设备的多相负载(12)、特别是多相电动机(14)的多个功率晶体管(16),其中所述负载(12)的每一相(U,V,W)都分配有至少一个功率晶体管(16),其特征在于,具有最高漏感的第一相(W)的功率晶体管(16)中的至少一个与第一电气衰减元件(30、32)并联连接,所述第一电气衰减元件用于衰减由所述功率晶体管(16)的开关过程引起的瞬变,并且对于至少一个其余相(U、V),特别是对于具有最低漏感的相(U),不设置这样作用的电气衰减元件(30、32)。
2.根据权利要求1所述的电子单元(10),其特征在于,所述负载(12)的每一相(U、V、W)都分配有与第一参考电势(V1)、特别是电源电势(V+)连接的高侧功率晶体管(26)以及与第二参考电势(V2)、特别是电气接地(GND)连接的低侧功率晶体管(28)。
3.根据权利要求2所述的电子单元(10),其特征在于,所述第一电气衰减元件(30、32)与所述第一相(W)的低侧功率晶体管(28)或高侧功率晶体管(26)并联连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电子单元(10),其特征在于,至少一个第二电气衰减元件(30、32)与至少一个第二相(V)的低侧功率晶体管(28)或高侧功率晶体管(26)并联连接。
5.根据前述权利要求1至3中任一项所述的电子单元(10),其特征在于,至少一个第二电气衰减元件(30、34)连接在所述第一相(W)和第二相(V)之间。
6.根据权利要求5所述的电子单元(10),其特征在于,所述至少一个第二电气衰减元件(30、34)连接到两相(W、V)之间,使得所述至少一个第二电气衰减元件分别与这两相(W、V)的低侧功率晶体管和高侧功率晶体管(28、26)之间的节点(46)连接。
7.根据前述权利要求4至6中任一项所述的电子单元(10),其特征在于,所述第二相(V)具有第二高漏感。
8.根据前述权利要求4至7中任一项所述的电子单元(10),其特征在于,为所述第二相(V)附加地设置至少一个第三衰减元件(30、34),所述至少一个第三衰减元件相对于第三相(U)进行作用。
9.根据前述权利要求4至8中任一项所述的电子单元(10),其特征在于,所述至少一个第二电气衰减元件和/或第三电气衰减元件(30、34)被构建为分别具有至少一个电阻器(34)、二极管(36)和电容器(38)的RDC元件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电子单元(10),其特征在于,所述功率晶体管(15)被构造为MOSFET。
11.一种电气设备,特别是电机驱动的电气设备,具有根据前述权利要求中任一项所述的电子单元(10),用于操控多相负载(12),特别是多相电动机(14)。
12.根据权利要求11所述的电气设备,其特征在于,所述多相负载(12)是三相EC电机(14),并且所述电子单元(10)具有用于操控EC电机(14)的B6功率桥(20)。
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